FASZINATIONLICHT. Eine Reise in die Welt des Lichts. VDI-Technologiezentrum, Düsseldorf

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2 FASZINATIONLICHT Eine Reise in die Welt des Lichts VDI-Technologiezentrum, Düsseldorf 1

3 Erläuterungen zum Titelbild Vorderseite: FaszinationLicht Quelle: LOBO Laser- und Multimediasysteme, Aalen Rückseite: Die Kampagne zur Aus- und Weiterbildung in den Optischen Technologien FaszinationLicht - Partner & Mitwirkende - ISBN Impressum Autoren: Erstellt nach Beiträgen der innen genannten Mitwirkenden Idee & Redaktion: Dr. Eckhard Heybrock, VDI-Technologiezentrum Düsseldorf Gestaltung: NO-Design Aachen Herausgeber und verantwortlich für den Inhalt: VDI-Technologiezentrum Düsseldorf Februar 2003 Durchgeführt im Auftrag des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) 2

4 EINLEITUNG Einleitung Die Bedeutung der Optischen Technologien Optische Technologien sind Schrittmachertechnologien für die moderne Wirtschaft und Gesellschaft. Sie bewirken wichtige Innovationen in Bereichen deutscher Kernkompetenz wie dem Maschinen-, Automobil-, Schiffs- oder Flugzeugbau, der Mikroelektronikindustrie, der Pharma- und Medizinprodukteindustrie sowie der Beleuchtungsindustrie. Der Trend der Zukunft ist, so viele Aufgaben wie möglich mit Licht, also mit Photonen, zu erledigen. Das Photon verfügt über das technologische Potenzial zur Lösung vieler Herausforderungen unserer Zeit. Es wird, so wie es das Elektron für die vergangenen Jahrzehnte war, zunehmend zum entscheidenden Innovationsträger. Deutschland hat sich zu einem Weltmarktführer auf vielen Gebieten der Optischen Technologien entwickelt. Entsprechend hoch ist das Arbeitsmarktpotenzial: Schon heute beeinflussen die Optischen Technologien in Deutschland ca. 16% der Arbeitsplätze im verarbeitenden Gewerbe. Dies entspricht etwa Beschäftigten. Direkt beschäftigt im Bereich der Optischen Technologien sind etwa Menschen. Optische Technologien stellen eine große, für den Wirtschaftsstandort Deutschland wichtige Branche dar. Die Kampagne FaszinationLicht Innovation beginnt in den Köpfen junger Menschen. Zukunftstechnologien brauchen Fachkräfte. Um die Chancen in Wirtschaft und Wissenschaft auf dem noch jungen Gebiet der Optischen Technologien in vollem Umfang nutzen zu können, müssen Information und Wissen in Schule und Beruf verfügbar gemacht, Faszination vermittelt und Interesse in der breiten Öffentlichkeit geweckt werden. Derzeit fehlt es der Branche an Nachwuchs. Vor diesem Hintergrund fördert das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) beginnend ab 2003 die bundesweite Kampagne FaszinationLicht - Licht für die Schulen zur Aus- und Weiterbildung in den Optischen Technologien. Unter dem Motto FaszinationLicht werden Kinder, Schüler und Lehrer, Auszubildende und Ausbilder sowie die Öffentlichkeit durch Tage der Optischen Technologien, Veranstaltungen, Präsentationen, Ferienspiele, Schnupperkurse, Wissenschaftstage und Ausstellungen informiert und sensibilisiert: Die Faszination der Optischen Technologien wird erlebbar. Insbesondere eine schulgerechte Wanderausstellung zum Themenspektrum der Optischen Technologien steht auf Messen, in Museen und zu besonderen Anlässen der breiten Öffentlichkeit zur Verfügung. Fachgespräche und Workshops mit Lehrern und Verantwortlichen aller Bildungsebenen sowie Berufsforen für Schulabgänger runden das Angebot ab. Damit wird ein Beitrag geleistet, Schülern frühzeitig ein interessantes Zukunftsfeld mit attraktiven Berufsaussichten näher zu bringen und ein Zusatzangebot für Schüler und Lehrer zu etablieren. Die FaszinationLicht dient auch dem Aufbau langfristiger Beziehungen (Patenschaften, Schulsponsoring) zwischen den schulischen Bildungsstätten, Einrichtungen naturwissenschaftlicher Forschung und Industrieunternehmen. 3

5 EINLEITUNG Es gibt bereits zahlreiche Aktivitäten von Hochschulen, Firmen, Verbänden sowie vom Handwerk. Im Rahmen der Kampagne soll mit einem Veranstaltungskalender erstmals ein umfassender Überblick über das bestehende Angebot geschaffen werden. Jeder kann mitmachen: Den Vorteil haben die Kinder, Schüler und Auszubildenden. Schulen, Betriebe und Hochschulen gewinnen an Attraktivität für Nachwuchs und für Lehrkräfte. Die zentrale Internetseite informiert über Veranstaltungen und aktuelle Neuigkeiten. Die FaszinationLicht ist eine Gemeinschaftskampagne. Zahlreiche Organisationen und Verbände wie die Bundesanstalt für Arbeit, die Deutsche Gesellschaft für angewandte Optik (DGaO), die Deutsche Physikalische Gesellschaft (DPG), OptecNet Deutschland e.v., der Industrieverband Spectaris, der Verein Deutscher Ingenieure (VDI), der Verband Deutscher Maschinen- und Anlagenbau (VDMA), die Wissenschaftliche Gesellschaft Lasertechnik (WLT), die Kompetenznetze Optische Technologien, die internationale Messe LASER, der Deutschlandfunk und die Fachzeitschrift Photonik unterstützen bereits als Partner die Kampagne. Weitere Partner sind willkommen. Das VDI-Technologiezentrum in Düsseldorf koordiniert die Kampagne im Auftrag des BMBF. Die Wanderausstellung FaszinationLicht Junge Menschen sind neugierig. Sie möchten die Vorgänge in ihrer Welt verstehen. Nur eigene Erfahrung, Begreifen und Erleben begründen sicheres Wissen, aus dem Staunen entwickelt sich Forscherdrang. Die Technologien um das Medium Licht sind faszinierend. Nahezu unbemerkt kommt jeder von uns über die innovativen Produkte des täglichen Lebens auch mit Optischen Technologien in Kontakt. Es lohnt sich, das Medium Licht zu verstehen und zu nutzen. Die Ausstellung FaszinationLicht zeigt erstmalig in Deutschland einen pädagogisch aufgebauten Erlebnispark rund um die Optischen Technologien. Hands-on-Exponate, Funktionsmodelle, Anschauungsmaterialien, Multimediastationen, Poster und Vorführungen vermitteln Faszination (Ohs/Ahs) und Verständnis (Aha), liefern auch Ideen und Anstöße für den Unterricht. 4

6 EINLEITUNG Danksagung Der Aufbau der Ausstellung FaszinationLicht und die Erarbeitung dieses Begleitbandes sind nur möglich geworden durch die tatkräftige Unterstützung zahlreicher Mitwirkenden, Experten und Sponsoren. Hierfür möchten wir uns nachdrücklich bei allen herzlich bedanken. Ausbildungszentrum Optische Technologien Göttingen H. Kiehne Bartkowiak BBZ Berufsbildungszentrum Fulda Bertha-von-Suttner-Gesamtschule Dormagen R. Krause, M. Sander Bosch U. Brinkmann Carl Zeiss DELPHI Eschenbach Optik FEE L. Ackermann Ferdinand-Braun-Institut Fachhochschule Südwestfalen in Iserlohn B. Neumann Fh-Institut für Angewandte Festkörperphysik Fh-Institut für Lasertechnik R. Poprawe, J. Giesekus, R. Noll Fh-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik W. Karthe Fh-Institut für Produktionstechnologie FOBA D. Golla Freiberger Compound Materials Fries Research and Technology Helmholtz-Gymnasium Bielefeld A. Heybrock Infineon Technologies Jenoptik Laserdiode Karl Storz M. Leonhard Kugler Laserline Laseroptik Leica Camera Linos Photonics Laser Zentrum Hannover A. Ostendorf, K. Samm, M. Auerbach NO-Design Norbert-Gymnasium Knechtsteden J. Ammon und die Klasse 13 Osram Osram Opto-Semiconductors W. Späth PhotonAix F. Bitte PhotonicNet H. Lentge Richard-Schirrmann-Schule Neuss-Hoisten H. Sander und die Klasse 2a s+p Werbetechnik Schott Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt Rostock Trumpf 5

7 EINLEITUNG Universität Berlin Universität Chemnitz Universität Clausthal-Zellerfeld Universität Düsseldorf Universität Jena Universität Kaiserslautern Universität Münster Universität Münster Universität Potsdam Universität Stuttgart Universität Ulm VDI-Technologiezentrum Düsseldorf Wissenschaftliche Gesellschaft Lasertechnik T. Riesbeck W. Schade H. Kempkens A. Tünnermann R. Wallenstein S. Knoche, B. Kemper, D. Dirksen, F. Dreesen, G. von Bally H. J. Schlichting A. Heuer A. Giesen R. Steiner A. Otto Besonderer Dank gilt Herrn Professor Dr. R. Poprawe, Herrn Dr. R. Noll und Herrn Dipl.-Phys. J. Giesekus vom Fraunhofer-Institut für Lasertechnik in Aachen. Sie begleiteten die Initiative schon während der Konzeptionsphase und erstellten gleich eine ganze Reihe von hochwertigen Exponaten. Besonderer Dank gilt auch Herrn Professor Dr. H. J. Schlichting vom Institut für Didaktik der Physik der Universität Münster für die pädagogische Unterstützung und das Ausgestalten der Lichtspiele. Bei der Deutschen Physikalischen Gesellschaft bedanken wir uns für die Bereitstellung der CD Physik Auch für das zur Verfügung gestellte Bildmaterial aus allen Bereichen der Optischen Technologien bedanken wir uns herzlich. Dr. Holger Junge Dr. Eckhard Heybrock VDI-Technologiezentrum Düsseldorf 6

8 INHALTSVERZEICHNIS Inhaltsverzeichnis Faszination Licht 1 WOHER KOMMT DAS LICHT? Der Ursprung des Lichts 15 Woher kommen die Farben? 16 Licht - vielfältige Quellen 18 2 WAS IST LICHT? Licht - Vielfalt einzigartiger Eigenschaften 21 Welle oder Teilchen 22 Auf den Punkt gebracht 24 Licht - flexibles Medium 26 Optikpräzision und der Zauber dünner Schichten 28 3 DER LASER DAS BESONDERE LICHT Faszination Laser 29 Grundsätzliches 32 Der Diodenlaser - vom Krümel zum Kraftpaket 36 Femto - Lasertechnik am unteren Ende der Zeitskala 38 4 WIE FUNKTIONIERT DAS? LICHT IM TÄGLICHEN LEBEN Licht - Eintrittskarte für die Zukunft 41 Übertragung, Speicherung und Visualisierung mit Licht 42 Makro, Mikro, Nano - Licht ist universelles Werkzeug 45 Nano-Elektronik - Im fernen UV geboren 48 Biophotonik - Hoffnungsträger für die Heilkunst 51 Endoskopie - Der Blick nach innen 54 Sanft heilen durch Licht 56 Holografie: Licht in der dritten Dimension 57 Kein Handy ohne Optische Technologien 58 Unsichtbare Dinge sehen: Materialprüfung durch Polarisation 59 Optische Technologien machen mobil 61 Messtechnik vom Feinsten 63 7

9 INHALTSVERZEICHNIS 5 LICHTSPIELE Lichtspiele - Spiele mit Licht 67 Ohne Licht keine Sicht 70 Wo viel Licht ist, ist auch viel Schatten 71 VorSPIEGELung falscher Tatsachen oder: Ich bin dort, wo ich nicht bin 72 Ein Knick in der Optik 74 Glas und Licht verbessern die Sicht 75 Bilder, die durch einen Punkt gegangen sind - oder: Wie eine Abbildung entsteht 77 Wenn das Licht in Farben bricht 79 Entdecken mit gekrümmten Spiegeln - Anamorphosen 80 Ein Regenbogen ohne Regen 81 Luka - das Glühwürmchen 82 ARBEITSBLÄTTER

10 FASZINATION LICHT Neujahrs-Lichtspiele 2003 in Klasse 2a der Richard-Schirrmann-Schule, Neuss-Hoisten Ohne Licht läuft nichts. Täglich machen Kinder diese Erfahrung. Spontan verbinden die meisten Kinder mit Licht vielfältige Assoziationen: die Sonne als gewaltiges Wunder der Natur, den Regenbogen, das Feuer, Kerzen, aber auch technische Errungenschaften wie Flutlichter, Straßenlaternen, Ampeln, Autos, Leuchttürme, Spiegel oder das Vergrößerungsglas. Was ist also naheliegender, als Kinder für Experimente rund ums Licht zu begeistern, die ihnen die Phänomene und Erfindungen dieser Welt erhellen. Ein kleiner Versuch kann dabei manchmal Wunder bewirken. Die Wasserlupe aus zwei einfachen Kunststoffhälften aus dem Bastelgeschäft, mit Wasser aufgefüllt und los geht die Entdeckungsreise - ganz sicherlich kein trockener (Lehr-) Stoff. LERNZIEL: ERLEBEN, ERFAHREN, STAUNEN. 9

11 FASZINATION LICHT LERNZIEL: ERLEBEN, ERFAHREN, STAUNEN. 10

12 FASZINATION LICHT LERNZIEL: ERLEBEN, ERFAHREN, STAUNEN. 11

13 FASZINATION LICHT LERNZIEL: ERLEBEN, ERFAHREN, STAUNEN. (Fotos: VDI-Technologiezentrum) 12

14 FASZINATION LICHT Faszination Licht Licht, lebensnotwendig und allgegenwärtig, das Selbstverständlichste von der Welt, was ist es, woher kommt es? Man sieht es, man spürt es, doch kann man es nicht greifen und nicht lagern für lichtlose Zeit. Es wirft Schatten, aber nicht messerscharfe, es ist blitzschnell, aber nicht gleichzeitig überall, es kann in bunten Farben leuchten, die wir sehen, aber auch scheinbar dunkel sein, obgleich vorhanden. Wundersamer Stoff, der die Wissenschaftler über Jahrhunderte zu Versuchen anregte, herauszufinden, was es ist: Welle, Teilchen, kosmischer Äther? Mit dem Verständnis kam die Findigkeit, das Licht dem Menschen nutzbar zu machen über den bloßen Zweck des Leuchtens in dunkler Nacht hinaus. Mit optischen Instrumenten lernte man, Entferntes heranzuholen, hin bis zu den geheimnisvoll kalten Oberflächen des Mondes und der Planeten. Licht ermöglicht den Einblick in die wimmelnde Welt des Lebens im Kleinen. Licht lässt sich dosiert und portioniert für technische Aufgaben erzeugen, gesammelt wirkt es als geballte Energie. Zerteilt in Impulse trägt es Informationen in Sprache, Bildern und Daten. Es lässt sich in Schläuchen um die halbe Welt leiten. Ein Telefonat über Quarzglasfaser nach Japan wird auf diese Weise zu einem Stadtgespräch. Die heilende Wirkung des Lichtes kannten schon die Pharaonen. Es hat schon seinen Grund, dass das Licht in den uralten Schriften der Menschheit eine besondere Rolle spielt. Ein Medium ganz offensichtlich mit einzigartigen Eigenschaften und spektakulären Gestaltungsmöglichkeiten. Wo sind seine Grenzen, wo die Grenzen der möglichen Anwendungen? 13

15 FASZINATION LICHT Licht fasziniert auf einmal mehr denn je Menschen in Wissenschaft und Technik. Doch erst in den letzten Jahrzehnten gelang es den Wissenschaftlern, mit Licht als Medium so zu arbeiten, wie es zuvor die Elektroniker mit Spannungen und Strömen taten und davor die Ingenieure des 19. Jahrhunderts mit den Kräften von Wasser und Dampf. Technologien, die jeweils die Welt veränderten, folgen aufeinander. Was ist das Besondere an der Technologie des Lichtes, den Optischen Technologien? Licht hat das Leben auf der Erde erst ermöglicht. Licht begleitet den Menschen seit vielen Jahrtausenden seiner Evolution und ist maßgeblich daran beteiligt. Entwicklungsstufen in der Nutzung des Lichtes spiegeln sich in Entwicklungsstufen des Menschen wider. 14

16 WOHER KOMMT DAS LICHT? 1. Woher kommt das Licht? Der Ursprung des Lichts In den Atomen, den Einheiten, aus denen die Elemente unserer Welt aufgebaut sind, liegt der Ursprung des Lichts. Da die quantenmechanischen Einzelheiten des Aufbaus der Atome den Rahmen der Ausführungen in diesem Buch bei weitem übersteigen, wird hier ein vereinfachtes Bild bemüht, an dem wesentliche Zusammenhänge abgeleitet werden können. Niels Bohr hat in seinem Atommodell von 1913 angenommen, dass die Atome Mini-Planetensystemen gleichen: Um den Atomkern bewegen sich, wie Planeten um die Sonne, auf festgelegten Bahnen die Elektronen. Wird einem Elektron Energie zugefügt, dann kann es auf eine Unser Sonnensystem: Planeten umkreisen die Sonne. höhere Bahn springen. Fällt es kurze Zeit später wieder auf eine niedrigere Bahn, dann kann es ein Lichtteilchen, das sogenannte Photon, aussenden und Licht blitzt auf. Eine andere Möglichkeit hierbei ist, dass die frei werdende Energie in Form von Wärme an andere Atome weitergegeben wird. Diese Energie ist für das Licht verloren. Photonen entstehen also aus bestimmten Energieübergängen von Elektronen in Atomen, Licht ist pure Energie. Modellvorstellung zum Atom: Elektronen umkreisen den Atomkern wie die Planeten die Sonne (Grafik: Wissenschaftliche Gesellschaft Lasertechnik). LICHT IST PURE ENERGIE Licht entsteht durch atomare Prozesse in der Materie: Anregung, Energieabgabe durch Licht oder Wärme, Rückkehr in den Grundzustand (Grafik: Wissenschaftliche Gesellschaft Lasertechnik). 15

17 WOHER KOMMT DAS LICHT? PHOTONEN SATT In jeder Lichtquelle, ob Glühlampe, Leuchtstoffröhre oder Laser, ist es ganz wesentlich dieser Prozess, der für die Helligkeit sorgt. Die eigentliche Elementarlichtquelle, das Atom, ist dabei nur etwa 1/10 Nanometer groß, das entspricht 0, m. Selbst das kleinste Stückchen Materie besteht jedoch aus einer so unglaublich großen Anzahl von Atomen, in denen dieser Prozess immer wieder stattfindet, so dass insgesamt eine Flut von Photonen ausgelöst wird. Beispiel: Aus einem handelsüblichen Laserpointer mit etwa 1 mw Leistung werden pro Sekunde etwa (!) Photonen ausgesandt, das sind etwa so viele wie Sandkörner an einem Strand. Sie zusammen bilden erst den kräftigen Lichtstrahl. Das einzelne Photon selbst trägt dabei nur kleinste Energiemengen. Woher kommen die Farben? Nur ein kleiner Teil des Lichts ist für unsere Augen sichtbar. Das sichtbare Spektrum, die Farben des Regenbogens, verläuft von Violett, Blau, Grün, Gelb, Orange bis zum Rot. Das Röntgenlicht im Krankenhaus beispielsweise bleibt jedoch für uns ebenso unsichtbar wie das uns bräunende UV-Licht der Sonne. Diese Farbigkeit unserer Umgebung ist darauf zurückzuführen, dass in unserem Auge drei unterschiedliche Detektoren, die sogenannten Zäpfchen, jeweils nur für bestimmte Photonenenergien des sichtbaren Lichts empfindlich sind. Man unterscheidet zwischen Blau-, Grün-, und Rotrezeptoren. Die Farben des Regenbogens (Bild: Richard-Schirrmann Schule) Die Farbe des Lichts, oder ob Licht überhaupt für uns sichtbar ist, hängt von dem Energiesprung des Elektrons bei der Erzeugung der Photonen ab. Je größer der Energieabstand ist, desto mehr Energie kann das einzelne Lichtteilchen aufnehmen. Und dabei gilt: Für blaues Licht ist ein größerer Energiesprung notwendig als für rotes Licht. Die Energiedifferenz des strahlenden Übergangs entspricht der Energie des ausgesendeten Photons und bestimmt damit die Farbe des Lichts (Grafik: Wissenschaftliche Gesellschaft Lasertechnik). 16

18 WOHER KOMMT DAS LICHT? Licht ist dagegen weiß, wenn an der Lichtentstehung, wie beispielsweise im Fall der Glühlampe, viele unterschiedliche Energieübergänge beteiligt sind. Die Photonen haben dann auch unterschiedliche Energien und werden in Abhängigkeit ihrer jeweiligen Energie von einem der drei Rezeptoren im Auge erfasst. Bunte Leuchtreklame: Unterschiedliche Gase leuchten bei Energiezufuhr durch Mikrowellen in unterschiedlichen Farben (v.l. Helium, Neon, Xenon, Wasserstoff). Der Grund: Die Elektronenbahnen ihrer Atome haben unterschiedliche Abstände (Fotos: Universität Düsseldorf). Zum Erröten: Die Düsseldorfer Kugel enthält Neongas und erstrahlt im Mikrowellenherd leuchtend rot (Universität Düsseldorf). Mit den Farben ist es aber noch etwas komplizierter: Eine Tomate ist nicht deshalb rot, weil ihre Atome rotes Licht aussenden. Statt dessen wirkt sie wie ein Filter: Denn was uns umgibt, das weiße Licht, ist ein Gemisch aus allen In Gasgemischen können viele Farben leuchten, wie die diskreten Farben aus einem weißen Lichtstrahl eines Argon-Krypton-Gasgemisches zeigen (Foto: Fh-Institut für Lasertechnik (Fh-ILT)). Lichtfarben. Rot aber ist hieraus das einzige Licht, das die Tomate nicht schluckt, sondern zurückwirft - deshalb erscheinen Tomaten unter weißem Licht rot. Wir sehen nur, was übrig bleibt: Aus dem Farbspektrum des weißen Lichts nimmt eine Tomate den Großteil auf, das rote Licht jedoch wird zurückgeworfen und ist sichtbar (Grafik: Wissenschaftliche Gesellschaft Lasertechnik). 17

19 WOHER KOMMT DAS LICHT? Licht vielfältige Quellen Licht lässt sich zähmen. Die heute verwendeten Lichtquellen nutzen die atomaren Prozesse auf verschiedene Weise in allen Aggregatzuständen (fest, flüssig, und gasförmig/plasmatisch). Elektrischer Strom, atomare Stöße, chemische Prozesse, aber auch das Licht selbst lassen sich zur Energieversorgung nutzen. Als Festkörperlichtquellen gibt es etwa Glühlampen, Leuchtdioden (LED - Light Emitting Diode) oder den Laser, als flüssige Lichtquellen z.b. Knicklichte und als gasförmige/plasmatische Lichtquellen Leuchtstoffröhren und Plasmalampen. Sie alle basieren auf diesen Prozessen, unterscheiden sich jedoch deutlich in ihrem Aufbau, ihren Eigenschaften wie Lichtfarbe, Lichtmenge, Effizienz (wieviel Licht wird aus dem Strom gewonnen?), und damit auch in ihren Einsatzgebieten. Neonstäbe: Knicklichte für den Discobesuch oder Tauchgang Hier ist das Funktionsprinzip einiger Lichtquellen: Eine Glühlampe ist wie die Sonne eine thermische Lichtquelle. Ein dünner Wolframdraht wird durch elektrischen Strom geheizt und erzeugt dadurch breitbandige elektromagnetische Strahlung. Nur ein geringer Teil (5%) der Strahlung liegt im sichtbaren Spektralbereich, der Rest (95%) wird, wie der Name schon sagt, als Wärme frei. In einer Leuchtstoffröhre wird Quecksilber verdampft und angeregt, so dass es ultraviolettes, nicht sichtbares Licht freisetzt. Durch dieses Licht wird in einem zweiten Schritt ein Leuchtstoff (Phosphor) auf der Wandung der Röhre angeregt, der nun das sichtbare Licht aussendet. Solche Prozesse nennt man Konversionsprozesse. Bei einer Leuchtdiode findet die Anregung auf elektronischem Weg im Festkörper/Halbleiter statt. Hier entsteht Licht nur einer bestimmten Farbe, die sich durch den Aufbau der Leuchtdiode und die Auswahl der Materialien einstellen lässt. Um weißes Licht zu erhalten, enthält die Diode zusätzlich einen Leuchtstoff, der bei Anregung mit dem in der Diode erzeugten blauen Licht selbst gelbes Licht erzeugt. In Kombination ergibt sich für das menschliche Auge weißes Licht. UMWELT SCHÜTZEN Aus den unterschiedlichen Wirkprozessen ergeben sich die spektralen und energetischen Unterschiede. Eine Glühlampe liefert ein warmes, dem Sonnenlicht ähnliches Licht, ist aber im Energieverbrauch ineffizient. Eine Entladungslampe dagegen hat einen hohen Wirkungsgrad, etwa 30%, strahlt aber ein Licht ab, das als weniger angenehm empfunden wird. Innovative Beleuchtung ist ein intensives Forschungsgebiet. Die weiße LED könnte sich hierbei wohl zu einer der wichtigsten Lichtquellen der nächsten Jahrzehnte entwickeln. Ihr hoher Wirkungsgrad und die passend einstellbare Farbe sind schwer zu übertreffen. Solche Arbeiten sind dringend notwendig. In Deutschland werden 8 % der Gesamtmenge an Strom für die Erzeugung von Licht verwendet. Wenn die ineffizienten Glühbirnen in Zukunft komplett durch moderne Konzepte wie anorganische oder organische Leuchtdioden ersetzt würden, könnten 38 TWh Strom jährlich eingespart werden; das entspricht 12,5 Millionen Tonnen Steinkohle oder 68 Milliarden Autobatterien im Jahr. Diese Energieeinsparung ist dringend geboten. 18

20 WOHER KOMMT DAS LICHT? (Fotos: Osram) Aber nicht nur Energieeinsparung lässt sich mit neuen Lichtquellen erreichen. Sie ermöglichen auch einfachere Produktionsschritte im Automobilbau: Hier könnten aufklebbare, leuchtende Folien zukünftig als Rücklichter dienen. Der technisch aufwendige Einbau von Lichthalterungen könnte entfallen. Und auch die Sicherheit würde hierdurch erhöht. Neue Lichtkonzepte versprechen deutlich schnellere Ansprechzeiten, so dass das Bremslicht schneller aufleuchtet und oftmals der entscheidende Meter gewonnen werden kann. Lichtquellen für die Zukunft: LEDs in allen Farben und Plasmaquellen (Fotos: Fh-Institut für Angewandte Festkörperphysik (Fh-IAF), Osram) 19

21 WOHER KOMMT DAS LICHT? Unsere Erde leuchtet bei Nacht durch künstliche Beleuchtung (Foto: NASA GSFC). Eine kurze Geschichte des Lichts Altes Testament Licht: von Gott geschaffen < 400 v.chr. Empedokles Licht: Augenstrahlen, die einen Gegenstand abtasten Pythagoras Licht: Teilchen, die von einem Gegenstand ausgesandt werden 1665 Grimaldi Beobachtung von Beugungsphänomenen 1666/70 Newton Korpuskulartheorie (Licht als Teilchen) 1678 Huygens Wellentheorie 1801 Young Beobachtung von Interferenzen 1816 Fresnel Mathematische Beschreibung von Beugungsund Interferenzerscheinungen 1871 Maxwell Grundgleichungen der Elektrodynamik 1879 Edison Die erste gebrauchsfähige Glühbirne (Kohlefadenlampe) 1888 Hertz Experimenteller Nachweis elektromagnetischer Wellen 1895 Röntgen Entdeckung der x-rays (Röntgenstrahlen) 1900 Planck Postulat von Energiequanten zur Ableitung der nach ihm benannten Strahlungsformel 1905 Einstein Einführung von Lichtquanten (Nobelpreis 1907) 1917 Einstein Theorie der stimulierten Emission >1950 Aufhebung des vermeintlichen Dualismus (Licht: Welle oder Teilchen?) durch Ausbau der Quantenfeldtheorie 1960 Maiman Erster Laser (Rubin-Laser) 1962 General Electric Erste Produktion von Halbleiter-Lichtquellen (LED im sichtbaren Bereich) 20

22 WAS IST LICHT? 2. Was ist Licht? Licht Vielfalt einzigartiger Eigenschaften Das Medium Licht verfügt wie kein anderes derzeit nutzbares Medium gleich über eine Vielfalt einzigartiger Eigenschaften. Die Welt des Lichts umfasst eine kaum fassbare Spannweite von Größenordnungen, von winzig klein bis unvorstellbar groß. The Powers of Ten (Vorsilben der Zehnerpotenzen) = peta - (P) = tera - (T) = 10 9 giga - (G) =10 6 mega - (M) = 10 3 kilo - (k) 100 = 10 2 hekto - (H) 10 = 10 1 deka - (D) 1 = 10 0 Basis - Einheit dezi - (d) 10-1 = 0,1 centi - (c) 10-2 = 0,01 milli - (m) 10-3 = 0,001 mikro - (m) 10-6 = 0, nano - (n) 10-9 = 0, pico - (p) = 0, femto - (f) = 0, atto - (a) = 0,

23 WAS IST LICHT? Welle oder Teilchen Das elektromagnetische Spektrum: Infrarot, sichtbarer und kurzwelliger Bereich (Grafik: B. Wellegehausen, Hannover) Licht ist eine Welle: Unter der Wellenlänge des Lichts versteht man den Abstand zwischen jeweils zwei benachbarten Wellenbergen. Das gesamte Spektrum des Lichts ist in der Abbildung dargestellt: Es reicht vom langwelligen Bereich im tiefen Infrarot, über den sichtbaren Bereich, in den kurzwelligen UV-Bereich bis in den Röntgenbereich. Für den Menschen sichtbares Licht stellt dabei nur den kleinen Bereich mit typischen Wellenlängen von etwa 700 bis 400 nm dar. Durch eine einfache Überlagerung von rotem, grünem und blauem Licht entsteht weißes Licht. Weißes Licht ist dabei eigentlich nur ein physiologischer Effekt, auf der Wellenlängenskala erscheint es nicht. Diese oben beschriebene Überlagerung bildet die Grundlage z.b. von Displaytechnologien. Geschieht die Überlagerung aber phasenstarr, d.h. bleiben die Positionen der Wellenberge starr zueinander, so verstärken oder verringern sich die Amplituden der Wellen: Man spricht von konstruktiver bzw. destruktiver Interferenz. Es entstehen Licht-Pulse. Dieses Bild zeigt schon: Je mehr Wellenlängen gezielt zur Interferenz gebracht werden können, um so komplexere Signale oder kürzere Pulse lassen sich erzeugen. Dies ist die technologische Basis der optischen Nachrichtenübertragung und der Femtosekunden-Lasertechnik (Grafik: Universität Bielefeld). 22

24 WAS IST LICHT? Licht ist maximal und absolut: Es breitet sich immer mit der maximalen, absoluten Geschwindigkeit aus. Dies sind im Vakuum km pro Sekunde oder anders ausgedrückt: in 0,1 Sekunden um die Erde. Physikalisch gibt es keine höhere Geschwindigkeit als die Lichtgeschwindigkeit, es gibt kein anderes Medium oder physikalisches Objekt, das so schnell sein kann. Licht ist ein Teilchen: Dies zeigt z.b. der beschriebene Lichtentstehungsprozess. Ein Widerspruch zu den Welleneigenschaften, wie es scheint, aber Lichtteilchen (Photonen) haben sowieso Eigenschaften zum Wundern: Sie sind punktförmig, ohne Ausdehnung und Volumen, ladungsfrei und masselos. Und doch sind es Teilchen! Der alte Streit zwischen Christian Huygens und Isaac Newton, ob Licht aus Wellen oder Teilchen besteht, geht unentschieden aus. Welle oder Teilchen sind nur zwei verschiedene Ansichten ein und desselben Phänomens. Zu vergleichen mit einem leeren Zylinder: Von der Seite sieht er aus wie ein Rechteck, von vorne betrachtet wie ein Kreis. Beides zusammen beschreibt erst das vollständige Bild. Das Spaltexperiment zeigt den Dualismus des Lichts. Das Licht einer Lichtquelle passiert einen schmalen Spalt und trifft auf einen Bildschirm. Links: Im Wellenbild können sich die Wellen hinter dem Spalt wieder in alle Richtungen ausbreiten: Licht fällt auch dorthin, wo eigentlich Schatten ist. Dieses Phänomen heißt Beugung. Rechts: Würde man die Lichtquelle so weit abschwächen, dass die Photonen sie einzeln verlassen, dann könnte man jedes einzelne Photon, das den Spalt durchläuft, einzeln auf dem Schirm durch einen kleinen Lichtblitz auftreffen sehen. Jedes Photon trifft also einzeln auf den Schirm. In der Summe vieler Photonen entsteht das gleiche Beugungsmuster wie im Wellenbild, beide Vorstellungen beschreiben also die gleichen Beugungsphänomene (Grafik: Fh- Institut für Lasertechnik (Fh-ILT)). 23

25 WAS IST LICHT? Auf den Punkt gebracht Jeder Wassertropfen im Sonnenlicht bringt es an den Tag. Es sieht aus, als ob jemand den Lichtstrahl knicken würde. Es passiert, wenn Licht in ein anderes Medium übertritt, etwa von Luft in Wasser. Das Phänomen heißt Lichtbrechung. Es beruht darauf, dass Licht sich in verschiedenen Medien unterschiedlich schnell bewegt. Dadurch wird die Lichtwelle an der Grenzfläche der beiden Medien abgebremst. Bei schrägem Einfall ändert sich daher die Richtung sprunghaft. Der Lichtstrahl verhält sich dabei ähnlich wie eine Planierraupe, die auf der einen Seite auf tiefen Sand stößt und auf der anderen Seite weiter über die Straße fährt: Da sie auf dem Asphalt schneller fahren kann, wird sie von der Straße abgelenkt. Immer an der Grenzfläche zweier Medien verändert sich die Geschwindigkeit des Lichtstrahls. Im Falle einer Linse wird das Licht also zweimal gebrochen: beim Eintritt und beim Austritt. Die Form der Linse bestimmt dann, ob das Licht auf einen Punkt gelenkt oder zerstreut wird. Allein mit dem einfachen Planierraupen-Modell lässt sich dies verstehen: Bei der abgebildeten Linsenform laufen die parallel einfallenden Lichtstrahlen hinter der Linse in einem Punkt zusammen. Dies ist der Brennpunkt oder Fokus (Grafik: VDI-Technologiezentrum). Die flache Linse: Lichtbrechung geschieht nur an der Grenzschicht zweier Medien. Würde man eine gewöhnliche Linse aushöhlen, also nur die Randbereiche benutzen und auf eine Ebene bringen, wie in der Grafik dargestellt, so entsteht eine so genannte Fresnel-Linse. Die Lichtwege von Linse und Fresnel-Linse sind fast identisch. Die Anwendungsfelder dieser Ringstrukturen sind groß: Im kleinen Maßstab sind sie in Sensoranlagen, im mittleren in Overheadprojektoren und im ganz großen z.b. in den Lichtkuppeln von Leuchttürmen zu finden (Foto, Grafiken: VDI-Technologiezentrum). 24

26 WAS IST LICHT? Die Größe des Fokus hängt von der Wellenlänge (Farbe) des Lichtes und der Brennweite der Linse ab. Je kleiner die Wellenlänge ist, desto kleiner ist der Fokus. Bei Laserlicht kann der Fokus so klein werden, dass man in Haare Löcher bohren kann oder Daten auf CDs brennen. Warum aber lässt sich Licht auf so winzigen Punkten zu geballter Kraft bündeln? Wie kann es sein, dass Licht so viel Energie liefert, dass man damit Stahl und Diamanten schneiden kann? Der Grund liegt in den oben genannten wundersamen Eigenschaften der Photonen: Sie besitzen keine Masse, kein Volumen, keine Ladung. Gigantische Mengen von ihnen lassen sich deshalb auf kleinstem Raum unterbringen, ohne dass sie sich abstoßen oder den Platz wegnehmen unmöglich z.b mit den negativ geladenen Elektronen. Lichtkuppeln von Leuchttürmen: Eine große Fresnellinse formt den Lichtstrahl 25

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